中学校技術科における PIC を用いた授業の有効性

＊ 東京学芸大学（184-8501 小金井市貫井北町4–1–1）

中学校技術科における PIC を用いた授業の有効性

山田  朗・永田 昭博 技術・情報科学講座

（2006年

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YAMADA, A. and NAGATA, A.: Evaluation of technology course using PIC in junior high school. Bull. Tokyo Gakugei Univ.

Natur. Sci., 58: 237

242 (2006) ISSN 1880–4330

Abstract

Recently, information education is introduced in technology course of junior high school, and many attempts were made to teach efficiently both the information and building.

In this study, we have tried to use a PIC microcontroller board in junior high school’s technology course, and evaluated the effectiveness of the course.

Key words :

Technology Education, PIC microcontroller

Department of Technology and Information Science, Tokyo Gakugei University, 4-1-1 Nukui-kita-machi, Koganei-shi, Tokyo 184-8501, Japan

１．はじめに

現在の中学校技術科の学習内容は「A技術とものづ くり」と「B情報とコンピュータ」の二つに大別され ている。この二つの学習内容は別々の教材を使い，分 けて学ばれることが多い。しかし，同じ教材で二つの 学習内容を学ぶことができれば限られた技術科の授業 時間を有効に活用することができる。このような二つ の学習分野である電子工作とプログラミングを学習で きる教材としてPICボードがある。PICボードを教材と して技術科の授業に取り入れた例はすでに数例報告さ れているが，PICボードを教材とする授業の有効性の 研究はまだなされていない。

本研究では，実際に中学校技術科の授業で

PIC

か，さらに，生徒がどれだけ授業の内容を理解できた かで検証する。理解度の検証方法としては，生徒に対 して行なった授業前のアンケートと授業後のテスト，

生徒の作品やプログラムの完成度を用いる。

２．関連研究

近年の小中学校の授業時間削減から，中学校技術科 では以前のように時間をかけて学習指導要領^１）の内容 を学習することが困難になった。また，1997年の学習 指導要領の改訂により，技術科の学習内容は「A技術 とものづくり」と「B情報とコンピュータ」の二つに 大別された。このような状況下で，技術科の授業では 限られた授業時間内に，二つに大別された学習内容を 同時に学ぶことができる教材が必要となってきた。こ れらの二つの学習内容をまとめて学習できるような教 材の一例として，PICボードがあり，PICボードを技術

科の教材として取り入れた授業実践はすでに数例報告 されている。

前田ら^２）はPICボードの基板製作からプログラミン グ，制御を学習できる授業を教員養成大学技術科の授 業に取り入れた。これは，将来技術科の教員になる大 学生に，制御を意識したものづくりを体験させる目的 で実践されている。受講した学生は全員が中学校では んだごてを使ったことがあり，電子回路工作を組み立 てたことがあったが，電子回路の製作についてのアン ケートでは多くの学生が「難しかった」と答えた。ま た，プログラミングについてのアンケートでも「難し かった」と答える生徒は多かった。しかし，「プログラ ムどおりに動作したとき」という項目では，学生全員 が嬉しかったと答えた。さらに，自由意見として「コ ンピュータの制御を実感できてよかった」などの感想 が得られた。これらの報告内容から，PICボードを使っ た授業は大学生にとっても有意義であると推測される。

大谷ら^３）はPICボードを使った電子さいころの回路 設計から基板製作までを中学校技術科の授業に取り入 れた。いずれの学校でも

PIC

３．PIC ボードの教材としての利点

PIC

・PICボードの部品は安価で手に入りやすい

１個のPICボードを製作するのに必要な部品代は800 円程度である。具体的な値段としては，PIC

300

300

LED 20円，電池ボックス 50

10

ック

40円，抵抗（12本）20円となっている。また，こ

れらの部品は秋葉原などにある専門店で全て買い揃え ることができ，インターネットなどを使い通販でも揃 えることができる。

・回路を設計するのが容易である

PIC

また

PIC

・命令数が少なくプログラムの作成が容易である 本授業で使う

PIC

全部で

35語である。そして，そのうち生徒が簡単なプ

ログラムを設計するのに理解する必要があるのは５つ の命令語である。これらの命令語以外にも授業で使う プログラムに使用される命令語は数語あるが，タイマ ールーチンなどパターン化されたルーチンの中に表れ るだけであり，生徒が理解する必要はない。

本研究では，限られた時間で生徒にプログラミング を理解させるために，命令語のうち，MOVLW（記憶）

MOVWF（出力）CALL（呼び出し）GOTO（移動）

BTFSC（分岐）の５語に学習内容を絞り授業を行った。

４．研究目的

前述したように

PIC

そこで本研究では，PICボードを中学校技術科の授 業で教材として用い，生徒の授業前，授業後の理解の 差および，生徒の基板製作やプログラミング作成に対 する姿勢や，PICボードとプログラムの完成度をもと に，PICボードを使った授業の有効性を検証する。

５．学習指導要領に基づいた学習分野

PIC

全

12項目の内容の最低でも４項目を学習することがで

きる。具体的には，「A技術とものづくり」の（２）製 作品の設計についての指導事項のウ「製作品の構想の 表示方法を知り，製作に必要な図を書くことができる こと。」と（３）工具や機器の使用方法及びそれらによ る加工技術についての指導事項のイ「工具や機器を適 切に使い，製作品の部品加工，組立て及び仕上げがで きること。」を学習できる。

「B情報とコンピュータ」からは（２）コンピュー タの基本的な構成と機能及び操作についての指導事項 のア「コンピュータの基本的な構成と機能を知り，操 作ができること。」とイ「ソフトウェアの機能を知るこ と。」。および，（６）プログラムと計測・制御について の指導事項のア「プログラムの機能を知り，簡単なプ ログラムの作成ができること。」の学習内容を学習する ことができる。

本研究では，全授業をこれらの学習内容に基づき

「コンピュータの基本構成と操作」「ものづくり」「プロ グラミングと制御」の３つに分割する。そして，学習内 容ごとに授業内容の計画を立て，有効性の検証を行う。

６．授業実践

授業実践の対象となる生徒は，小平市立上水中学校 の第２学年３クラスで，各クラス30人程度，計92人で ある。上水中学校では１授業が

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１）「コンピュータの基本構成と操作」の授業内容

「コンピュータの基本構成と操作」では，コンピュ ータの基本的な構成と機能を知り，操作できるように なることが学習内容である。授業内容としては，生徒 たちにコンピュータの構成や歴史を教科書や資料，イ ンターネットを使い調べさせ，レポートにまとめさせ る。これにより，生徒たちはコンピュータの基本的な 構成を知ることができる。また，インターネットを使 うことによりコンピュータの操作方法も学習すること ができる。

２）「ものづくり」の授業内容

次に，「ものづくり」では，製作品の構想の表示方法 を知り，製作に必要な図を書くことができること，お よび工具や機器を適切に使い，製作品の部品加工，組 立て及び仕上げができることの二つを学習内容とする。

授業内容としては，基板を製作していく過程となる。

具体的には，①回路設計②露光③現像④エッチング⑤ スコッチたわし⑥フラックスぬり⑦穴あけ⑧はんだづ けの８つの作業である。これらの授業内容で，生徒た ちはドリルやはんだごてなどの工具を正しく使う方法 および，

PICボードの組立て方を学習することができる。

３）「プログラミングと制御」の授業内容

「プログラミングと制御」の学習内容は，プログラ ムの機能を知り，簡単なプログラムの作成ができるこ とである。授業内容としては，まず数字を表示するプ ログラムをもとに，自分の誕生日を表示するプログラ ムの作成を行う。その後，生徒には数字がゆっくり表 示されるプログラムの作成を課題とする。そして，ス イッチの入力に応じて出力が変わるプログラムをもと に，最終的には４連スイッチを入力装置とした，２進 数→10進数の変換プログラムを作成する。

７．有効性の検証

７．１ 事前調査の結果

１）「コンピュータの基本構成と操作」のアンケート結果 コンピュータの基本構成と操作について，授業前に 以下のアンケートを実施した。また以後，表の（）内

の数字は全生徒に対して各項目が占める割合（％）を 表す。

これらの結果から，大半の生徒は中学校に入学する 前にコンピュータを使ったことがあることが分かる。

しかし，２割の生徒は中学校の授業で学習するまでア プリケーションソフトを一度も使ったことがなかった。

２）「ものづくり」のアンケート結果

ものづくりについて，授業前に以下のアンケートを 実施した。

この結果から，大半の生徒が電子工作の初心者であ ることが分かる。またこのような現状から，はんだづ けに関してはいきなり本番を行うのではなく，生徒に 小さな基板を配りそこに抵抗を10本程度つける練習を してから，PICボードの製作にあたらせた。

３）「プログラミングと制御」のアンケート結果 プログラミングと制御について，授業前に以下のア ンケートを実施した。

また，１．「２進数を知っているか。」という質問に は，YESと答えた生徒に「いつ習ったか」，「どこで

（誰に）習ったか」という追加の質問を実施した。結果 は以下のとおりである。

これらの結果から，生徒の大半はソフトウェアや，

１．コンピュータを初めて起動させたのはいつですか

２．コンピュータのアプリケーションソフトを初めて 起動させたのはいつですか

プログラムに関する知識が皆無である。このため，授 業ではプログラムやコンピュータに関する言葉をでき るだけ詳しく教え，初心者でも分かり易い授業になる よう心掛けた。

７．２ 事後調査の結果

理解の評価方法として，事後調査で生徒の理解度を

「A．よく理解している」「B．理解している」「C．あま り理解していない」の３段階にわけた。そして各問題 と，各分野の作品の完成度から「A．よく理解している」

の生徒の割合を理解度として評価した。

１）「コンピュータの基本構成と操作」のテスト結果 コンピュータの基本構成と操作について，授業後に 以下のテストを実施した。

判断基準として，「処理」や「計算」，「保存」という 言葉を使いコンピュータについて説明できているかで

A〜 Cに分けた。

この問題では各装置の名前を書き，役割を説明でき

た生徒を

A，名前だけ書けた生徒を B，何も書けなか

った生徒をCと評価した。

以上のテスト結果から，生徒は概ねコンピュータそ のものと基本構成について，理解できたと考える。中 でも，各装置については，授業で扱ってからテストす るまでに期間があいてしまったにもかかわらず，高い 正答率を得られた。これは，実際に

PIC

しかし，装置の説明ができた生徒は５割程度にとどま った。これは，問題があいまいになってしまい生徒が 答えづらかったのではないかと考える。

２）「ものづくり」のテスト結果

ものづくりについて，授業後に以下のテストを実施 した。

判断基準として，製作過程全８つの７個以上の過程 を書けた生徒を

A，４個以上の過程を書けた生徒を B，

３個以下の過程しか書けなかった生徒を

C

以上のテスト結果から，７割近い生徒がものづくり の製作過程をよく理解しているといえる。また，製作 に使う工具の扱い方は８割以上の生徒が理解し，正し く使うことができていた。しかし，PICボードに使用 されている部品に関しては，部品名を書ける生徒数が ５割程度で，説明できる生徒はさらに少なかった。こ れについては，ものづくりに重点を置いてしまい生徒 にそれぞれの部品が

PICボードで果たす役割を伝えき

３）「プログラミングと制御」のテスト結果

判断基準としては，10進数の特徴「０〜９までの数」

と「日常的に使う」が２つか，１つか，何も書いてい ないかで

A

３．ドリルとはんだごてを使うときの注意点を説明せよ

２．コンピュータの基本構成を書き，説明せよ １．コンピュータとは何か，説明せよ

３．コンピュータの歴史と基本構成についてのレポー トの提出状況および完成度

１．プリント基板の製作過程について説明せよ

１．10進数について説明せよ

２．２進数について説明しましょう

２．PICボードに使用されている部品を紹介し説明せよ

４．基板の製作状況

判断基準としては，２進数の特徴「０と１しか使わ ない」，「桁が大きくなる」，「コンピュータが使う」の ２つ以上か，１つか，何も書いていないでA〜

C

以上のテスト結果から，２進数についての問題はい ずれも正答率が高かった。しかし，プログラムを作る 過程と，プログラミングに関する生徒の理解度はまだ あまり高くない。これは，プログラミングそのものに ついての授業があまりなされていないことなどが要因 として考えられる。

７．３ 有効性の可否

１）「コンピュータの基本構成と操作」について コンピュータの基本構成と操作では，生徒の基本構成 に対する理解度は高い。またプログラミングの授業を通 しても，コンピュータの基本操作やアプリケーション ソフトの使い方などを身につけることができた。これ らの事実からコンピュータの基本構成と操作に対する

PICボードを使った授業の有効性はあると考えられる。

２）「ものづくり」について

ものづくりでは，生徒は

PIC

電子工作の初心者が多いにもかかわらず７割の生徒が 基板を正確に完成させることができた。また，製作過 程や工具の正しい扱い方をきちんと理解している生徒 が多い。これらの結果から，ものづくりに対して

PICボ

プログラムの作成に入る生徒もいた。作業が遅れてし まった生徒には，空いている時間や放課後を使いでき る限りの補習を行ったが，そういった生徒はPICボード 製作の意欲をなくしてしまっている。今後，遅れてし まった生徒への更なる対策が必要であるといえる。

３）「プログラミングと制御」について

プログラムやソフトウェアという言葉をまったく知 らない状態からの授業であったが，今では多くの生徒 がアセンブラ言語の簡単なプログラムを理解している。

今後さらに多くの生徒がアセンブラ言語やプログラミ ングを理解してほしいと考える。今後，これ以上でき る生徒とできない生徒の差が出ないように授業を工夫 する必要がある。

８．結論と今後の課題

８．１ PIC ボードを教材として使うことへの有効性 の結論

PIC

これらの点から，PICボードを教材として使うこと への有効性は極めて高いといえる。

８．２ 問題点

有効性の検証の問題点として以下の点が挙げられる。

・授業を行ってから，テスト実施までに期間があいて しまった

授業の直後にテストを行えば，生徒もより多くの解 答ができ有効性は高まったと考える。しかし逆に，解 答できた生徒には授業内容がしっかり定着したとも考 えられる。

・クラスにより進度差がある

進度差のため，特にプログラミングと制御のテスト結 果でクラスによって理解度に大きく差が出てしまった。

・生徒30人程度に対して教員１人では足りない 教員には全体を見て作業の説明をすると，遅れてい る生徒のフォローをするという２つの役目がある。特 に，遅れてしまった生徒が自分で遅れを取り戻すとい うことは困難であり，また途中で学習意欲を失ってし まう可能性が高い。このため，作業が遅れている生徒 を授業に追いつかせ，学習意欲を戻すために最低でもア シスタントティーチャーが１人は必要であると考える。

３．次の10進数を２進数，２進数を

10進数に変換せよ

４．アセンブラ言語によって書かれたプログラムが，

PICボード上で実行されるまでの流れを説明せよ

５．プログラミングの生徒の理解度（自己評価）

参考文献

１）文部省：中学校学習指導要領（平成10年12月）開 設―技術・家庭科―

２）前田平作：「教員養成系大学における電子工作を 中心とした授業の試み」，日本教育工学会第

18

３）大谷渉，川崎貞満，清水信哉：「生産技術の支店 を大切にするものづくりと制御学習」，日本の教育 第53号